AT391231B

AT391231B - UHF FEEDBACK OCILLATOR

Info

Publication number: AT391231B
Application number: AT376/88A
Authority: AT
Inventors: Peter Ernst Dipl Ing Veith
Original assignee: Akg Akustische Kino Geraete
Priority date: 1988-02-17
Filing date: 1988-02-17
Publication date: 1990-09-10
Also published as: ATA37688A; JPH01248702A; DE3903885A1; US4891610A

Description

Nr. 391 231No. 391 231

Die Erfindung betrifft einen UHF-Rückkopplungsoszillator für einen Frequenzbereich von mindestens 300 MHz bis 1000 MHz mit einer Verstärkerstufe, einem spannungsgesteuerten Abstimmfilter und einem Rückkopplungsvierpol.The invention relates to a UHF feedback oscillator for a frequency range of at least 300 MHz to 1000 MHz with an amplifier stage, a voltage-controlled tuning filter and a feedback quadrupole.

Oszillatoren der oben genannten Art bestehen aus einer Verstärkerstufe mit dem Verstärkungsfaktor v und der 5 Phasenverschiebung (py, aus einem spannungsgesteuerten Abstimmfilter mit der Dämpfung k und dem Phasengang (p^ sowie einem im Rückkopplungsweg angeordneten Phasenschieber mit dem Amplitudengang m und der Phasenverschiebung cpg. Damit eine solche Schaltungsanordnung als Oszillator arbeitet, muß die zumOscillators of the type mentioned above consist of an amplifier stage with the amplification factor v and the 5 phase shift (py, from a voltage-controlled tuning filter with the damping k and the phase response (p ^ and a phase shifter arranged in the feedback path with the amplitude response m and the phase shift cpg such a circuit arrangement works as an oscillator, the

Oszillatoreingang rückgeführte Spannung mit der Eingangsspannung im Betrag und in der Phase übereinstimmen, bzw. die folgende Bedingung erfüllen: 10 v.k.m. = 1 φν + φΝ + φ<; = η.π (η = 0,2,4 usw.)Oscillator input returned voltage match the input voltage in the amount and in phase, or meet the following condition: 10 v.k.m. = 1 φν + φΝ + φ <; = η.π (η = 0.2.4 etc.)

Ein mit einem Rückkopplungsvierpol ausgestalteter Rückkopplungsoszillator ist aus der DE-OS 33 05 453 bekannt. Dieser Oszillator enthält im Rückkopplungsweg eine Oberflächenwellenleitung mit einem der 15 vorgesehenen Oszillatorfrequenz entsprechenden Durchlaßbereich und einen 3 dB-90° Koppler. Der besondere Einsatz eines solchen Oszillators erfolgt bei der Übertragung digitaler Signale mit Übertragungsgeschwindigkeiten von über 100 Mbit/s.A feedback oscillator designed with a feedback quadrupole is known from DE-OS 33 05 453. In the feedback path, this oscillator contains a surface waveguide with a pass band corresponding to the 15 oscillator frequency provided and a 3 dB-90 ° coupler. Such an oscillator is particularly used for the transmission of digital signals with transmission speeds of over 100 Mbit / s.

Auf Grund des gegebenen Schaltungsaufbaus erzeugt dieser Oszillator ein rechteckiges Taktsignal bis zu einer Frequenz von maximal 500 MHz, wobei die mögliche Frequenzabstimmung in einem Bereich um ± 100 KHz 20 liegt. Der Platzbedarf ist abhängig von der Größe der Oberflächenwellenleitung (SAW-Vierpol), der einige cm^Due to the given circuit structure, this oscillator generates a rectangular clock signal up to a maximum frequency of 500 MHz, the possible frequency tuning being in a range around ± 100 KHz 20. The space requirement depends on the size of the surface waveguide (SAW four-pole), which is a few cm ^

Fläche besitzt. Außerdem ist der Kostenaufwand für einen solchen Oszillator sehr hoch, weil SAW-Vierpole teuer sind.Owns area. In addition, the cost of such an oscillator is very high because SAW four-poles are expensive.

Eine weitere Ausführungsart für einen Rückkopplungsoszillator ist in der DE-AS 22 45 476 beschrieben. Auch dieser Oszillator ist für die Anwendung als Taktoszillator in Datenverarbeitungseinrichtungen vorgesehen, 25 dessen Arbeitsfrequenz bis zu 100 MHz betragen kann. Zur Mitkopplung zwischen den aus Logikbausteinen aufgebauten Oszillator werden Bandpässe verwendet. Die Schwingungsfrequenz wird entweder durch LC-Kreise oder mittels eines Schwingquarzes bestimmt.Another embodiment for a feedback oscillator is described in DE-AS 22 45 476. This oscillator is also intended for use as a clock oscillator in data processing devices, whose operating frequency can be up to 100 MHz. Bandpasses are used for coupling between the oscillators made up of logic components. The vibration frequency is determined either by LC circles or by means of a quartz crystal.

Die allgemein bekannteste und gebräuchlichste Art zur Erzeugung höchstfrequenter Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb von 300 MHz erfolgt mit einer Schaltungsanordnung nach Colpitt, bei der als 30 frequenzbestimmender Teil ein rückgekoppelter LC-Schwingkreis verwendet wird. Die Frequenzabstimmung erfolgt durch Veränderung der Induktivität oder der Kapazität, aber auch gleichzeitig beider Reaktanzen, wenn Betriebsfrequenzen um 900 MHz verlangt werden. Die Güte eines solchen Oszillators ist meist noch relativ hoch, dafür aber der durchstimmbare Frequenzbereich sehr schmal, der bei etwa ± 35 % liegt. Der geometrische Aufbau dieses Oszillators erfordert einen großen Platzbedarf zufolge der naturgegebenen Größe der einzelnen 35 elektronischen Bauteile. Die Oszillatorausführung nach Colpitt ist im Taschenbuch der Hochfrequenztechnik von H. Meinke und F. W. Gundlach, Springer Verlag, 1956, auf den Seiten 1318 und 1319 beschrieben.The most well-known and most common way of generating high-frequency vibrations in the frequency range above 300 MHz takes place with a circuit arrangement according to Colpitt, in which a feedback LC oscillating circuit is used as the 30 frequency-determining part. The frequency is tuned by changing the inductance or the capacitance, but also at the same time both reactances when operating frequencies around 900 MHz are required. The quality of such an oscillator is usually still relatively high, but the tunable frequency range, which is around ± 35%, is very narrow. The geometric structure of this oscillator requires a large amount of space due to the natural size of the individual 35 electronic components. The oscillator design according to Colpitt is described in the paperback of radio frequency technology by H. Meinke and F. W. Gundlach, Springer Verlag, 1956, on pages 1318 and 1319.

Der besondere Nachteil der bekannten UHF-Rückkopplungsoszillatoren liegt vor allem darin, daß deren Durchstimmbarkeit in einem nur verhältnismäßig schmalen Frequenzbereich möglich ist und eine Miniaturisierung aufgrund der Größe der Bauteile nicht durchgeführt werden kann. 40 Für den UHF-Bereich von etwa 4 bis 22 GHz ist ein Oszillator aus der US-PS 4,630.002 mit einem gyromagnetischen Resonator bekannt. Ein solcher Resonator beruht auf dem aus der Eigendrehung der Elektronen entstehenden magnetischen Moment, wobei eine Wechselbeziehung zwischen Materie und elektromagnetischem Feld nur in jenen Frequenzbereichen erfolgen kann, deren Energie ausreichend stark genug dazu ist. Solche Frequenzbereiche liegen im Gigaheizbereich. 45 Ausgehend vom Stand der Technik setzt sich die vorliegende Erfindung zum Ziel, einen UHF-Oszillator zu schaffen, der sowohl einer Miniaturisierung zuführbar als auch in einem sehr breitbandigen Frequenzbereich zwischen etwa 300 MHz und 1000 MHz einfach auf seine Schwingbedingung einstellbar ist, wobei die Realisierung mit einfachsten Mitteln möglich ist.The particular disadvantage of the known UHF feedback oscillators is that their tunability is possible in a relatively narrow frequency range and miniaturization cannot be carried out due to the size of the components. 40 For the UHF range from approximately 4 to 22 GHz, an oscillator from US Pat. No. 4,630,002 with a gyromagnetic resonator is known. Such a resonator is based on the magnetic moment arising from the intrinsic rotation of the electrons, whereby an interrelation between matter and electromagnetic field can only take place in those frequency ranges whose energy is sufficiently strong to do so. Such frequency ranges are in the gigaheating range. 45 Starting from the prior art, the present invention aims to provide a UHF oscillator that can be supplied with miniaturization as well as easily adjusted to its oscillation condition in a very broadband frequency range between approximately 300 MHz and 1000 MHz, the implementation is possible with the simplest of means.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung bei einem eingangs genannten Rückkopplungsoszillator darin, daß der 50 Rückkopplungsvierpol aus einem zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonator besteht.According to the invention, the solution to a feedback oscillator mentioned at the outset is that the feedback quadrupole consists of a two- or three-circuit spiral waveguide resonator.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des UHF-Rückkopplungsoszillators besteht nun darin, daß mit dem Ausgang der Verstärkerstufe der Eingangsanschluß eines spannungsgesteuerten Abstimmfilters verbunden ist, dessen Ausgang auf den Eingang eines resistiven Auskopplungsnetzwerkes führt, dessen einer von zwei Ausgängen auf den Eingang des zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonators führt und der Ausgang 55 dieses Resonatorfilters mit dem Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung bildet die denkbar einfachste Anordnung für einen Rückkopplungsoszillator mit Rückkopplungsvierpol und gestattet das vom Oszillator erzeugte elektrische Signal zur weiteren Verwendung am Ausgang des resistiven Auskopplungsnetzweikes abzunehmen.A particularly expedient embodiment of the UHF feedback oscillator now consists in that the input connection of a voltage-controlled tuning filter is connected to the output of the amplifier stage, the output of which leads to the input of a resistive coupling-out network, one of two outputs of which is connected to the input of the two or three-circuit spiral Leads waveguide resonator and the output 55 of this resonator filter is connected to the input of the amplifier stage. Such a circuit arrangement forms the simplest possible arrangement for a feedback oscillator with a feedback quadrupole and allows the electrical signal generated by the oscillator to be tapped for further use at the output of the resistive decoupling network.

Der frequenzbestimmende Teil des erfindungsgemäßen Oszillators wird von dem zwei- oder dreikreisigen 60 Wendel-Hohlleiter-Resonator gebildet, der im Rückkopplungsweg die jeweils für die verlangte Arbeitsfrequenz -2-The frequency-determining part of the oscillator according to the invention is formed by the two- or three-circuit 60 spiral waveguide resonator, which in the feedback path has the required operating frequency -2-

Nr. 391 231 erforderliche Einstellung der Phasenbedingung herbeifUhrt. Aufgrund dieser Art von Schwingungserzeugung ist die Schwingungsfähigkeit des Oszillators in einem sehr großen Frequenzbereich von selbst gewährleistet, der für den praktisch vorliegenden Fall zwischen etwa 300 MHz und 1000 MHz liegt. Der Wendel-Hohlleiter-Resonator ist in seinen geometrischen Abmessungen so klein, daß er nahezu ausschließlich den für den Oszillator gesamtenNo. 391 231 brings about the required setting of the phase condition. Because of this type of oscillation generation, the oscillation capability of the oscillator is automatically guaranteed in a very large frequency range, which for the practical case is between approximately 300 MHz and 1000 MHz. The geometrical dimensions of the spiral waveguide resonator are so small that they are almost entirely the same for the oscillator

Platzbedarf beansprucht, was einer Fläche von 1 bis 1,5 cm^ bei etwa 10 mm Höhe entspricht. Diese Abmaße entsprechen vollkommen der Miniaturisierung einer solchen Schaltungsanordnung. Verglichen mit der Baugröße eines mit einer Koaxialleitung oder einem SAW-Vierpol im Rückkopplungsweg aufgebauten HF-Oszillators bedeutet dies eine Verkleinerung auf das 5- bis 10-fache. Hinzu kommt, daß die zuletzt genannten Ausführungsformen immer nur in einem sehr schmalen Frequenzband von maximal ± 30 MHz durchstimmbar sind.Requires space, which corresponds to an area of 1 to 1.5 cm ^ at about 10 mm in height. These dimensions correspond perfectly to the miniaturization of such a circuit arrangement. Compared to the size of an RF oscillator built with a coaxial line or a SAW four-pole in the feedback path, this means a reduction to 5 to 10 times. In addition, the last-mentioned embodiments can only be tuned in a very narrow frequency band of a maximum of ± 30 MHz.

Wenn man in einem Rückkopplungsoszillator, der aus einem einstufigen Transistorverstärker in Emitterschaltung und aus einem Abstimmfilter als auch einem Anpassungsnetzwerk besteht, die Werte für die Gesamtphasendrehung der genannten Anordnung in Abhängigkeit von der Frequenz mißt, dann zeigt sich im Ergebnis, daß diese zwischen etwa +280° bei 400 MHz und etwa + 440 bei 1000 MHz liegen. Damit die zum Schwingungseinsatz erforderliche Phasendrehung von 0, 2π, 4π usw. der zum Oszillatoreingang über den Rückkopplungsweg zurückgeführten Spannung vorhanden ist, bedarf es eines von der jeweiligen Arbeitsfrequenz abhängigen phasendrehenden Rückkopplungsvierpols, der die Phase gerade um den richtigen Wert dreht Hiezu bildet der Wendel-Hohlleiter-Resonator mit den schon zuvor erwähnten Eigenschaften die effizienteste Lösung. Dank des unkomplizierten Aufbaues der Gesamtschaltung, des minimalen meßtechnischen Aufwandes, der dazu erforderlich ist, läßt sich ein solcher Oszillator in einer Serienfertigung bei hoher Qualität billigst hersteilen.If one measures the values for the total phase rotation of the above-mentioned arrangement as a function of the frequency in a feedback oscillator, which consists of a single-stage transistor amplifier in emitter circuit and a tuning filter and also an adaptation network, then the result shows that this is between approximately +280 ° are at 400 MHz and about + 440 at 1000 MHz. In order for the phase rotation of 0, 2π, 4π etc. required for the use of vibrations, the voltage fed back to the oscillator input via the feedback path, there is a need for a phase-rotating feedback quadrupole, which is dependent on the respective operating frequency, and which just rotates the phase by the correct value. Waveguide resonator with the properties already mentioned the most efficient solution. Thanks to the uncomplicated structure of the overall circuit and the minimal metrological effort that is required, such an oscillator can be inexpensively manufactured in a high-quality series production.

Die mit dem Wendel-Hohlleiter-Resonator innerhalb seines Durchlaßbereiches zu erzielende Phasendrehung beträgt je nach Anzahl der Filterkreise 0, 2π, 3π usw., wodurch innerhalb des Durchlaßbereiches stets eine Phasenlage des Filters zu finden ist, für die in Summe sich aus der Phasenverschiebung der Verstärkerstufe, des Abstimmfüters und des im Rückkopplungsweg sich befindenden Resonatorfilters eine Gesamtphasendrehung von 0, 2π, 4π usw. ergibt. In der praktischen Anwendung bedeutet dies, daß für den Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 600 MHz und 600 MHz bis etwa 1000 MHz ein zweikreisiger Wendel-Hohlleiter-Resonator und für den gesamten Frequenzbereich von 300 MHz bis zu etwa 1000 MHz ein dreikreisiger Wendel-Hohlleiter-Resonator benötigt wird. Für die Verwendung eines Wendel-Hohlleiter-Resonators spricht noch ein weiterer Vorteil, der darin besteht, daß die Ein- und Ausgangsimpedanz des Wendel-Hohlleiter-Resonators entsprechend den Transistorparametem wählbar ist, wodurch allenfalls erforderliche Impedanzstufen entfallen.The phase rotation to be achieved with the spiral waveguide resonator within its pass band is, depending on the number of filter circuits, 0, 2π, 3π etc., so that a phase position of the filter can always be found within the pass band, for which the phase shift of the filter results in sum Amplifier stage, the tuning feeder and the resonator filter located in the feedback path results in a total phase rotation of 0, 2π, 4π etc. In practical application, this means that for the frequency range from approximately 300 MHz to approximately 600 MHz and 600 MHz to approximately 1000 MHz a double-circuit waveguide resonator and for the entire frequency range from 300 MHz to approximately 1000 MHz a three-circuit spiral Waveguide resonator is required. A further advantage speaks for the use of a helical waveguide resonator, which is that the input and output impedance of the helical waveguide resonator can be selected in accordance with the transistor parameters, as a result of which any necessary impedance steps are eliminated.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben u. zw. zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen UHF-Oszillators, Fig. 2 den den Phasengang eines UHF-Oszillatorverstärkers, Fig. 3 in einem Diagramm den Mechanismus zur Einstellung der notwendigen Phasenbedingung und Fig. 4 eine praktisch ausgeführte Schaltung des erfmdungsgemäßen Oszillators.An embodiment of the invention will now be described with reference to the drawing u. 1 shows the block diagram of the UHF oscillator according to the invention, FIG. 2 shows the phase response of a UHF oscillator amplifier, FIG. 3 shows the mechanism for setting the necessary phase condition in a diagram, and FIG. 4 shows a circuit of the oscillator according to the invention that is implemented in practice.

Der mit dem Wendel-Hohlleiter-Resonator im Rückkopplungsweg versehene eifindungsgemäße UHF-Oszillator ist als Blockschaltbild in Fig. 1 gezeigt. Dabei stellt Block (1) den einstufigen, breitbandigen Transistorverstärker in Emitterschaltung dar, dessen Ausgang mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Abstimmfilters (2) verbunden ist. Mittels dieses Abstimmfilters erfolgt der Feinabgleich der gewünschten Resonanz- bzw. Oszillatorfrequenz und deren Konstanthaltung, nachdem die freie Schwingung durch Rückkopplung des Signals auf den Verstärkereingang über den im Rückkopplungsweg vorhandenen zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonator (4) eingesetzt hat. Zum Weiterrühren des Oszillatorsignals dient das Auskoppelglied (3), das aus einem einfachen Netzwerk aus Ohm' sehen Widerständen bestehtThe UHF oscillator according to the invention provided with the spiral waveguide resonator in the feedback path is shown as a block diagram in FIG. 1. Block (1) represents the single-stage, broadband transistor amplifier in an emitter circuit, the output of which is connected to the input of a voltage-controlled tuning filter (2). By means of this tuning filter, the desired resonance or oscillator frequency is fine-tuned and kept constant after the free oscillation has started by feedback of the signal to the amplifier input via the two- or three-circuit spiral waveguide resonator (4) present in the feedback path. The outcoupling element (3), which consists of a simple network of ohm resistors, serves to continue stirring the oscillator signal

Im UHF-Bereich ist die Phasendrehung eines Transistorverstärkers in Abhängigkeit von der Frequenz nicht mehr konstant. Mit welchen Abweichungen eine solche Phasendrehung erfolgt, zeigt Fig. 2, in der die Phasenänderung mit der Frequenz im Bereich zwischen 400 und 1000 MHz dargestellt ist.In the UHF range, the phase shift of a transistor amplifier is no longer constant depending on the frequency. FIG. 2 shows the deviations with which such a phase shift takes place, in which the phase change with the frequency in the range between 400 and 1000 MHz is shown.

Der Mechanismus für die Einstellung der zum Einsetzen der Oszillatorschwingung notwendigen Phasenbedingung ist für einen dreikreisigen Resonator im Phasendiagramm der Fig. 3 gezeigt. Der Phasengang eines Wendel-Hohlleiter-Resonators in seinem Durchlaßbereich verläuft im steilen Abfall um maximal 2π. Somit ergibt sich zusammen mit der Phasenverschiebung des Oszillatorverstärkers und des Abstimmfilters immer ein eindeutiger Fangbereich, innerhalb dessen der Oszillator stabil schwingt. An jenen Stellen, wo die Phasenbedingung 0, 2π, 4π usw. erfüllt ist, stellt sich die Schwingungsfrequenz des gesamten Rückkopplungssystemes ein. Die Feinabstimmung für die tatsächlich gewünschte Oszillatorffequenz erfolgt mit den frequenz- und phasenbestimmenden Bauteilen des Abstimmfilters.The mechanism for setting the phase condition necessary for the onset of the oscillator oscillation is shown for a three-circuit resonator in the phase diagram of FIG. 3. The phase response of a spiral waveguide resonator in its passband runs in the steep drop by a maximum of 2π. Thus, together with the phase shift of the oscillator amplifier and the tuning filter, there is always a clear capture range within which the oscillator oscillates in a stable manner. At those points where the phase condition 0, 2π, 4π etc. is fulfilled, the oscillation frequency of the entire feedback system is set. The tuning of the actually desired oscillator frequency takes place with the frequency and phase-determining components of the tuning filter.

Ein Beispiel für die praktische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rückkopplungsoszillators ist in Fig. 4 dargestellt. Der Oszillatorverstärker besteht aus dem Transistor (T) in Emitterschaltung, der als einstufiger Breitbandverstärker im Frequenzbereich von 300 MHz bis 1000 MHz arbeitet. Die Induktivität (Lj) bildet hiebei den Arbeitswiderstand dieser Transistorverstärkerstufe. Daran schließt zur Impedanzanpassung an das resistive Auskopplungsglied, bestehend aus den Ohm'schen Widerständen (R^, R4 und Rg), die Induktivität (L2) am Ausgang der Verstärkerstufe an. Der Widerstand (Rg) führt auf den Eingang des im Rückkopplungsweg befindlichen dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonators (H) oder auch Helical-Filter benannt, dessen Ausgang -3-An example of the practical design of the feedback oscillator according to the invention is shown in FIG. 4. The oscillator amplifier consists of the transistor (T) in emitter circuit, which works as a single-stage broadband amplifier in the frequency range from 300 MHz to 1000 MHz. The inductance (Lj) forms the load resistance of this transistor amplifier stage. This is followed by the inductance (L2) at the output of the amplifier stage for impedance matching to the resistive coupling element consisting of the ohmic resistors (R ^, R4 and Rg). The resistor (Rg) leads to the input of the three-circuit spiral waveguide resonator (H) or helical filter located in the feedback path, whose output -3-

Claims

391 231 leads to the input of the tuning filter. This is designed as a π-element from the inductance (L4), the capacitances (Cj, C2) and the capacitance diodes (Dj) and (D2). The output of this π element is connected to the input of the transistor amplifier stage at the base of the transistor (T). The oscillator signal is taken from the resistor (R3) for further use. The remaining resistors (R), inductance (L) and capacitance (C) shown in the drawing have the task of coupling the individual functional sections of the circuit arrangement to one another without direct current, or of filtering out interfering frequency components in the supply voltage. 1. UHF feedback oscillator for a frequency range of at least 300 MHz to 1000 MHz with an amplifier stage, a voltage-controlled tuning filter and a feedback quadrupole, characterized in that the feedback quadrupole consists of a two or three-circuit spiral waveguide resonator (4).

2. UHF feedback oscillator according to claim 1, characterized in that with the output of the amplifier stage (1) the input terminal of a voltage-controlled tuning filter (2) is connected, the output of which leads to the input of a resistive decoupling network (3), one of two outputs leads to the input of the two or three-circuit spiral waveguide resonator (4) and the output of this resonator filter is connected to the input of the amplifier stage (1) (Fig. 1). Towards that

3 sheets of drawings -4-